JP3231528B2 - 電界放出型冷陰極およびその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は電界放出型冷陰極および
その製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年発達の著しい半導体の加工技術を利
用して、たとえばJournal of AppliedPhysics,Vol.47,5
248(1976)に発表されているような電界放出型冷陰極の
開発が、活発に進められている。

【０００３】この種の電界放出型冷陰極は、たとえば図
６（ａ）〜（ｃ）に製造工程を模式的に示すような手段
を経て製作されている。

【０００４】先ず、Ｓｉ単結晶基板１上に、ＳｉＯ₂ 層
２およびゲート電極層３ａおよび犠牲層３ｂを順次積層
・形成した後、直径 1.5μｍ程度の孔４を形成し、この
孔４内に、電界放出を行なうエミッタ材料５を、蒸着法
などによって円錐状に形成配置することにより作製して
いる。

【０００５】さらに具体的に説明すると、Ｓｉ単結晶基
板１上に、ＣＶＤ法などの堆積法によりＳｉＯ₂ 層２
を、またスパッタリング法等によりＭｏ層３ａおよびＡ
ｌ層３ｂを、順次に積層形成する。その後、図６（ａ）
に示すごとく、前記のＳｉＯ₂層２およびゲート電極層
（Ｍｏ層）３ａおよび犠牲層（Ａｌ層）３ｂを選択的に
エッチングして、直径 1.5μｍ程度のピンホール４を穿
設する。

【０００６】次いで図６（ｂ）に示すごとく、前記Ｓｉ
単結晶基板１をほぼ水平に配置してこれを回転させなが
ら、エミッタ機能を有する金属、たとえばＭｏを垂直方
向から真空蒸着する。このＭｏの真空蒸着により前記の
ピンホール４内およびＡｌ層３ｂ上にＭｏが堆積して行
き、この堆積の進行に伴ってピンホール４開口面は順次
閉塞されるので、ピンホール４内にはＭｏが先端の尖っ
た円錐状に堆積されることになる。

【０００７】こうしてピンホール４内に所要のエミッタ
材料を先端の尖った円錐状に被着・配置した後、Ａｌ層
3bを除去することにより、図６（ｃ）に示すような電界
放出型冷陰極が形成される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
電界放出型冷陰極には、実用上、下記のような不都合な
問題が認められる。

【０００９】先ず第１には、前記構成の電界放出型冷陰
極はピンホール４開口部の縮径化現象を利用して、Ｓｉ
Ｏ₂ 層２のピンホール４内に回転蒸着法によってエミッ
タ材料５を円錐状に堆積した構造を成している。そして
前記先端の尖った円錐状に堆積したエミッタ材料５の高
さや先端部の形状等はゲート電極層３ａの材質や厚さ、
および穿設したピンホール４の形状・状態、回転蒸着法
の条件設定などに起因して、円錐状先端部の高さや形状
にバラツキが起こり易く、一般的に電界放出の均一性が
劣るという問題がある。

【００１０】特に、先端部の形状が鋭さ（尖鋭さ）に欠
け、電界放出効率の低下や消費電力の増大を招くといっ
た問題がある。

【００１１】また、前記バラツキの問題は、いわゆる再
現性や歩留まりなどに大きく影響し、たとえば同一支持
基板面に多数個の電界放出型冷陰極を同一工程で製作
（製造）する場合にコストアップを招くという問題もあ
る。

【００１２】第２には、絶縁体層としてのＳｉＯ₂ 層２
をＣＶＤ法などにより比較的厚く形成しているため、電
界放出の効率を大きく左右するゲート−エミッタ間の距
離を精度よく制御することが困難なため、電界放出の均
一性が劣る（バラツキが発生する）という問題がある。

【００１３】また、前記ゲート−エミッタ間の距離を近
接させることにより低電圧での電界放出型冷陰極（素
子）の駆動を可能とし得ると考えられるが、前記のよう
にゲート−エミッタ間の距離を精度よくは制御し得ない
ので、理論的には可能な作用・効果も実際的には得られ
ないという問題がある。

【００１４】本発明は、上記のような問題を解決するた
めに成されたもので、良好な電界放出の均一性を呈し、
また低電圧駆動も可能で、高い電界放出効率を得ること
ができ、しかも高集積化が容易で生産性のすぐれた電界
放出型冷陰極およびその製造方法を提供することを目的
としている。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明に係る電界放出型
冷陰極は、支持基板と、前記支持基板面に先端を尖らせ
て形設されたエミッタ材料製凸部と、前記エミッタ材料
製凸部の先端部を露出させてエミッタ材料製凸部表面を
被覆する絶縁体層と、前記エミッタ材料製凸部の先端部
を露出させ絶縁体層を被覆するＳｉ単結晶不純物拡散層
またはＧｅ単結晶不純物拡散層とを具備することを特徴
としている。

【００１６】また、本発明に係る電界放出型冷陰極の製
造方法は、第１の支持基板の第１主面側に、先端を尖ら
せた凹部を形成する工程と、前記凹部内壁面を含む第１
の支持基板面に高濃度の不純物拡散層を形成する工程
と、前記不純物の拡散層面に絶縁体層を形成する工程
と、前記絶縁体層面に凹部を埋めつつエミッタ材料を被
着する工程と、前記エミッタ材料層面に第２の支持基板
を接合一体化する工程と、前記第１の支持基板を第２主
面側からエッチング除去し凸部を含む不純物の拡散層を
露出させる工程と、前記凸部先端部の不純物の拡散層お
よび絶縁体層を選択的に除去しエミッタ材料製の凸部の
先端部を露出させる工程とを具備することを特徴として
いる。

【００１７】あるいは、第１の支持基板の第１主面側
に、底部が尖った形状の凹部を刻設する工程と、前記第
１の支持基板の前記凹部内壁面を含む第１主面上に絶縁
層を形成する工程と、前記絶縁層面上に前記凹部を埋め
つつエミッタ材料を被着して、先端が尖った形状の凸部
を有するエミッタ材料層を形成する工程と、前記エミッ
タ材料層の凸部が形成された面とは反対側の面に第２の
支持基板を接合して該第２の支持基板により前記エミッ
タ材料層を支持する工程と、前記エミッタ材料層の凸部
を被覆している前記絶縁層の少くとも先端部が露出する
まで、前記第１の支持基板を該基板の第２主面側からエ
ッチング除去する工程と、前記第１の支持基板から露出
した部分からエッチングを進行させて前記絶縁層を選択
的にエッチング除去して行き、該絶縁層に被覆されてい
た前記エミッタ材料層の凸部の先端部を露出させてエミ
ッタを形成するとともに、前記第１の支持基板を少なく
とも前記エミッタの先端部と間隙を有して対置するよう
に残存させてゲート層を形成する工程とを具備すること
を特徴としている。

【００１８】あるいは、第１の支持基板の第１主面上に
エッチング停止層を形成する工程と、前記第１の支持基
板の第１主面側に、前記エッチング停止層を貫通して前
記第１の支持基板の厚さの途中にまで達する深さで、底
部が尖った形状の、凹部を刻設する工程と、前記凹部の
内壁面として露出している前記エッチング停止層および
前記第１の支持基板を含む前記エッチング停止層上に絶
縁層を形成する工程と、前記絶縁層の面上に前記凹部を
埋めつつエミッタ材料を被着して、先端が尖った形状の
凸部を有するエミッタ材料層を形成する工程と、前記第
１の支持基板を該基板の第２主面側から前記エッチング
停止層までエッチング除去して、前記エミッタ材料層の
凸部を被覆している前記絶縁層の先端部を前記エッチン
グ停止層の表面から露出させる工程と、前記エッチング
停止層から露出した部分からエッチングを進行させて前
記絶縁層を選択的にエッチング除去して行き、該絶縁層
に被覆されていた前記エミッタ材料層の凸部の先端部を
露出させてエミッタを形成するとともに、前記エッチン
グ停止層を少なくとも前記エミッタの先端部と間隙を有
して対置するように残存させてゲート層を形成する工程
とを具備することを特徴としている。

【００１９】本発明に係る電界放出型冷陰極の製造方法
は、たとえばＳｉ単結晶板などの支持基板面に、エッチ
ングの異方性を利用して先端の尖ったピラミッド状や円
錐状の凹部を形成し得ること、不純物拡散層化領域がエ
ッチング停止層として機能すること、この不純物拡散層
はその抵抗値によってはゲート電極層としても機能する
こと、熱酸化法を利用すると所定面に沿った尖鋭な酸化
物層（絶縁体層）が形成されることなどに着目してなさ
れたものである。

【００２０】また、本発明に係る電界放出型冷陰極の製
造方法において、支持基板は、先端の尖った凹部の選択
的な形設が可能で、かつ一体化される絶縁性支持基板や
高濃度不純物拡散層などに対して、選択的なエッチング
性を有する材質ならいずれでもよい。しかし、高濃度不
純物拡散層の形成し易さ、あるいは膜厚や形状など精度
のよい絶縁体層の形成を制御し易いＳｉ，Ｇｅなどの単
結晶板が望ましい。さらに、高濃度不純物拡散層の形成
は、たとえばＢ（ボロン）を濃度 3×10¹⁹cm^-3以上のｐ
型不純物を含むＳｉ層であり、この不純物の濃度がたと
えば10²⁰〜10²¹cm^-3程度と高く、抵抗率が10^-4Ω・cm程
度と低い場合は、ゲート電極層として利用（兼用）する
ことも可能である。なお、不純物の拡散層は、支持基板
をエッチング除去するときのエッチング停止層として機
能するものであれば、前記ｐ型に限らずｎ型やｉ型など
でもよい。

【００２１】さらにまた、絶縁体層の形成は、たとえば
ＣＶＤ法などによって前記不純物拡散層面にＳｉＯ₂ を
堆積して形成する方式を採ってもよいが、緻密で厚さの
制御も容易なこと、たとえばピラミッド型凹部内壁面に
沿って先端部の尖った絶縁体層の形成が可能なことなど
から、前記のように不純物拡散層の表面を熱酸化する熱
酸化法を用いることが好ましい。

【００２２】

【作用】本発明に係る電界放出型冷陰極の製造方法にお
いては、たとえばＳｉ単結晶基板などの支持基板面に形
設した凹部を含む面にエッチング停止層となる高濃度の
不純物拡散層、および絶縁体層たとえば薄い熱酸化絶縁
層を形成し、その後エミッタ材料層を被着形成するた
め、ゲート−エミッタ間距離を、前記熱酸化絶縁層など
形成・制御が可能なことに伴い精度よく制御することが
可能である。また、ゲート−エミッタ間距離を近接させ
るため、熱酸化絶縁層などの層厚を極力薄くした場合で
も、不純物拡散層がエッチング停止層として機能するの
で、絶縁体層，さらにはエミッタ材料層が侵されること
なく、支持基板をエッチング除去できる。そして、前記
熱酸化絶縁層およびエミッタ材料層がエッチング液の侵
食から保護され、またゲート−エミッタ間距離の近接化
も可能なことは、電界放出効率および均一性の大幅な向
上をもたらす。

【００２３】一方、支持基板面に形設した凹部内に、エ
ミッタ材料は埋め込み（充填）配置され、かつ前記凹部
が高精度に形設され得るため、高さ，形状，先端の尖鋭
さなどが一様な（均一な）エミッタが、再現性良好に形
成されることになる。また、支持基板面に形設した凹部
内においては、その内壁面の熱酸化絶縁層の凹部内部へ
の成長作用により、凹部先端が尖鋭となるため、前記凹
部内を埋め込み・充填して形成するエミッタの先端部も
より尖鋭になる。

【００２４】さらに、高濃度の不純物拡散層は、エッチ
ング停止層として機能するものであるが、Ｐ型不純物濃
度が高く電気伝導性が良好な場合は、そのままゲート電
極層として利用することも可能である。そしてこのエッ
チング停止層にゲート電極層を兼用させる形とした場合
は、良好に制御されて形成された絶縁体層とあいまっ
て、ゲート−エミッタ間距離を間隙を有しながら近接し
て形成する際の精密な制御が可能となると同時に、ゲー
ト電極層形成の工程も不要となるため、その分の労力、
製造作業時間、材料費などの節減を図ることができ、そ
の結果、製造コストを低コスト化することができる。

【００２５】

【実施例】以下、本発明に係る電界放出型冷陰極および
その製造方法の実施例を、図１、図２（ａ）〜（ｈ）に
基づいて詳細に説明する。

【００２６】（実施例１）図１は、本発明に係る第１の
実施例の電界放出型冷陰極の構造の概要を、その断面的
構造を含んで斜視図で示したものである。

【００２７】図１において、６は例えばパイレックスガ
ラス板のような耐熱性の高い絶縁性支持基板、７は前記
絶縁性支持基板６面に先端を尖らせ一体的に形設された
エミッタ材料製凸部（つまりエミッタ本体部）であっ
て、例えばＷ、Ｍｏ、Ｔａなどの金属材料から形成され
た先端が尖った凸部状に（言うなればピラミット形状
に）形成されている。８は前記のエミッタ材料製凸部７
を被覆するとともにその先端部は露出させている絶縁体
層であって、この絶縁体層はたとえばＳｉＯ₂ 層から形
成される。９は絶縁体層８面を被覆するとともに前記の
エミッタ材料製凸部７の先端部を露出させている高濃度
の不純物拡散層であって、例えばＢ（ボロン）を拡散し
てなるＳｉ層から形成される。そして１０は前記エミッ
タ材料製凸部７の先端部を露出させるとともに、不純物
拡散層９の面上を被覆するように形成されたゲート電極
層である。

【００２８】このように、本発明に係る電界放出型冷陰
極は、絶縁性支持基板６の一方の面に上記のような例え
ばピラミッド型のエミッタ材料製凸部７がエミッタ本体
部として形成されている。そしてこのピラミッド型のエ
ミッタ材料製凸部７の先端部を絶縁性支持基板６面に対
してほぼ垂直方向に電子を放出することができるように
露出させるとともに、エミッタ材料製凸部７の先端部に
対して間隙（ギャップ）を有して対峙するようにゲート
電極層１０が形成されている。

【００２９】上記のような構造にその主要部が形成され
た本発明に係る電界放出型冷陰極は、たとえば図２
（ａ）〜（ｈ）に模式的に示すような工程を経て製造さ
れる。次に、図２に基づいてその製造方法の一例を詳述
する。

【００３０】先ず第１の支持基板としてＳｉ単結晶基板
１１を用意し、図２（ａ）に示すごとくこのＳｉ単結晶
基板１１の一方の平面（これを第１主面と呼ぶ）を異方
性エッチングによりエッチングして、所要のピッチで底
部に向かって尖鋭に尖った形状の（図中で逆ピラミット
型に見える）凹部１１ａを刻設する。

【００３１】これは、例えばｐ型で (100)結晶面方位の
Ｓｉ単結晶基板１１の第１主面側から例えばドライ酸化
法などによる熱酸化処理を施して、厚さ 0.1μｍ程度の
薄い熱酸化膜（ＳｉＯ₂ ）膜を形成し、この熱酸化膜面
上にフォトレジストをスピンコート法等により塗布す
る。そして例えばステッパを用いて 0.8μｍの矩形の開
口部が得られるように露光・現像処理等を施してフォト
レジストのパターニングを行なった後、例えばＮＨ₄ Ｆ
・ＨＦ混合溶液をエッチャントとして用いて前記熱酸化
膜（ＳｉＯ₂ ）の露出領域の選択エッチングを行なう。
そしてフォトレジストを除去した後、さらに30％のＫＯ
Ｈ水溶液で異方性エッチング処理を行なうことにより、
前記の図２（ａ）に示すような逆ピラミッド状で深さ約
0.56μｍの凹部１１ａをＳｉ単結晶基板１１の第１主面
側に形成する。

【００３２】その後、ＮＨ₄ Ｆ・ＨＦ混合溶液をエッチ
ャントとして用いて前記マスクとして機能した熱酸化膜
を除去した後、逆ピラミッド状の凹部１１ａを含むＳｉ
単結晶基板１１面上に、ｐ型不純物として例えば 3×10
¹⁹cm^-3以上の濃度のＢ（硼素）を含むＢ拡散Ｓｉ層１２
を、ほぼ一様な厚さで例えば厚さ 0.3μｍの厚さに形成
する。このＢ拡散Ｓｉ層１２は、後述する工程でＳｉ単
結晶基板１１をその第２主面側からエッチング除去する
際にエッチング停止層（あるいは犠牲層）である図１に
示したような高濃度不純物拡散層１０として機能するも
のであるが、ｐ型不純物の濃度を例えば10²⁰〜10²¹cm^-3
程度と高くして抵抗率を10^-4Ω・ｃｍ程度と低くした場
合には、そのままゲート電極層１０として利用すること
も可能である。その場合には工程数が低減されるばかり
でなく、ゲート−エミッタ間距離のさらなる近接化、換
言すればゲート−エミッタ間ギャップのさらなる微細化
を図ることができるというメリットもある。

【００３３】次いで、Ｓｉ単結晶基板１１に熱酸化処理
を施して前記Ｂ拡散Ｓｉ層１２の表面を熱酸化し、厚さ
0.2μｍの絶縁体層１３を形成する。この絶縁体層１３
が図１に示した絶縁体層８のとなる層である。

【００３４】続いて、絶縁体層１３の上に、たとえば
Ｗ、Ｍｏ、Ｔａのような金属材料をスパッタリングして
前記のピラミッド型凹部１１ａを埋めながら厚さ 0.8μ
ｍ程度のエミッタ材料層１４を形成する。このエミッタ
材料層１４のうちピラミッド型凹部１１ａの部分を埋め
るように形成された凸状の部分が、図１に示したエミッ
タ材料製凸部７となる。

【００３５】さらにエミッタ材料層１４の上に、スパッ
タリング法などによりたとえば厚さ1μｍ程度のＩＴＯ
（インジウム−錫系酸化物）を堆積して導電層１５を形
成して、図２（ｂ）に示すような積層体を作成する。こ
こで、上記のＩＴＯなどからなる導電層１５は、エミッ
タ材料層１４の材質によっては省略してもよい。ただし
その場合にはエミッタ材料層１４の表面に導電層１５と
しての機能を兼用させることになる。

【００３６】一方、第２の支持基板として、裏面（背
面）に厚さ 0.4μｍ程度の静電接合電極用のＡｌ層１６
をコーティングした厚さ 1ｍｍ程度のパイレックスガラ
ス板１７を用意し、図２（ｃ）に示すごとく導電層１５
の表面にパイレックスガラス板１７を貼り合わせるよう
に配置して、導電層１５とＡｌ層１６との間に数百Ｖ程
度の電圧を印加していわゆる静電接着法によってこれら
の界面を貼り合わせる。この接合は接着剤で行なっても
よいが、製造する電界放出型冷陰極の軽量化や薄型化な
どの点から、上記のような静電接着法が好ましい。こう
してパイレックスガラス板１７を貼り合わせた後、パイ
レックスガラス板１７の裏面にコーティングされたＡｌ
層１６を、例えばＨＮＯ₃ ・ＣＨ₃ ＣＯＯＨ・ＨＦ混酸
溶液でエッチング除去する。

【００３７】その後、エチレンジアミン・ピロカテコー
ル・ピラジンから成る水溶液（混合比は75ｃｃ：12ｇ：
3ｍｇ：10ｃｃ）をエッチャントとして用いて、支持板
としてのＳｉ単結晶基板１１をその第２主面側からエッ
チング除去して、図２（ｄ）に示すように絶縁体層１３
とＢ拡散Ｓｉ層１２との積層によって被覆されたエミッ
タ材料製凸部１８（すなわち図１の凹部１１ａとなる部
分）を有する形の積層体を得る。このエッチング工程に
おいては、Ｂ拡散Ｓｉ層１２はＳｉ単結晶基板１１のエ
ッチング停止層として機能するとともに、膜厚の薄い絶
縁体層１３および先端が尖ったピラミッド型のエミッタ
材料製凸部１８を前記エッチング液による侵食から保護
する役割を果たす。

【００３８】次に、前記Ｓｉ単結晶基板１１をエッチン
グ除去して露出したＢ拡散Ｓｉ層１２の面上に、例えば
スパッタリング法によりＷ層１９を厚さ 0.5μｍ程度に
成膜する。そしてこのＷ層１９の面上に、例えばスピン
コート法により、図２（ｅ）に示すようにピラミッド型
のエミッタ材料製凸部１８の先端部が隠れる程度の厚
さ、例えば厚さ 0.9μｍ程度の厚さにフォトレジスト層
２０を塗布する。

【００３９】その後、酸素プラズマによるドライエッチ
ング処理を施して、図２（ｆ）に示すごとく、エミッタ
材料製凸部１８の先端部が 0.7μｍ程度露出するように
フォトレジスト層２０の一部をエッチング除去する。

【００４０】そして反応性イオンエッチング処理を施し
て、図２（ｇ）に示すように、フォトレジスト層２０の
エッチング除去で露出したＷ層１９の先端部を選択的に
除去する。こうしてエミッタ材料製凸部１８の先端部を
露出するようにＷ層１９に開口部を開けて、図１に示し
たようなゲート電極層１０を得る。次いで、フォトレジ
スト層２０の残余分、つまりＷ層１９先端部の選択的エ
ッチングの際にマスクとして機能した後にもまだＷ層１
９上に残されているフォトレジスト層２０を除去する。

【００４１】そして、ＮＨ₄ Ｆ・ＨＦ混合溶液を用いて
前記エミッタ材料製凸部１８の先端部に対応する領域の
Ｂ拡散Ｓｉ層１２および絶縁体層１３を選択的にエッチ
ング除去して、エミッタ材料製凸部１８の先端部を露出
させる。

【００４２】すなわち、図２（ｈ）に示すごとく、Ｗ層
１９を用いて形成されたゲート電極層１０の開口部１９
ａから、ピラミッド型のエミッタ材料製凸部１８の先端
部が露出した構造の本発明に係る電界放出型冷陰極が得
られる。

【００４３】上記のような本発明に係る製造方法によれ
ば、異方性エッチングによって刻設された底面（先端）
が尖鋭な凹部を有する支持基板１１の第１主面側に、Ｂ
のような不純物をドーピンクし高濃度の不純物として拡
散してなるＢ拡散Ｓｉ層１２を形成し、さらに熱酸化法
により絶縁体層１３を形成した後、前記凹部を埋めるよ
うにエミッタ材料層１４を形成する。この過程により先
端が尖鋭な凹部を異方性エッチングによって再現性よく
刻設することができるとともに、絶縁体層１３を形成す
る際の熱酸化による緻密なＳｉＯ₂ の成長、さらにはＢ
拡散Ｓｉ層１２による絶縁体層１３およびエミッタ材料
層１４に対する耐エッチング性などにより、先端部が鋭
く尖り、かつ高さや形状が均一で一様性に優れたエミッ
タを困難無く簡易に形成することができる。

【００４４】従って、本発明によれば、品質的に安定し
た電界放出型冷陰極の提供が可能となる。また前記エミ
ッタ機能部に対するゲート電極層１０の距離（エミッタ
−ゲート間隔）も、前記熱酸化法によって精度よく制御
された厚さで絶縁体層１３の形成が可能であることによ
り、比較的低電圧駆動でかつ電子の放射効率が高い電界
放出型冷陰極の提供が可能となる。

【００４５】なお、上記ではＢ拡散Ｓｉ層１２面上に、
ゲート電極層１０としてＷ層１９を配置した構造を一例
として示したが、前記のＢ拡散Ｓｉ層１２の不純物濃度
が高くその抵抗値が低い場合には、そのＢ拡散Ｓｉ層１
２をゲート電極層として機能させても、あるいは支持基
板１１の選択エッチングに主として関与する不純物拡散
層１２を除去し、これにより露出する絶縁体層１３面上
にＷ層１９を配設した構造を採っても、同様の作用・効
果が得られる。

【００４６】なお、前記不純物はｐ型のＢ、，Ａｌ、Ｇ
ａ、Ｉｎや、あるいはｎ型のＰ、Ａｓ、Ｔｉ、あるいは
ｉ型のＧｅ、Ｓｎなどでもほぼ同様な傾向の効果を得る
ことができる。

【００４７】 また、前記Ｓｉ単結晶板の代りにＣａＡ
ｓ基板などを第１の支持基板として用いる、あるいはＷ
の代りにＭｏ、Ｔａ、Ｓｉや、仕事関数が低くエミッタ
として使用可能な材料をエミッタ材料として用いてもよ
い。

【００４８】さらには、上記のパイレックスガラス板の
代りにソーダガラス板などを第２の支持基板として用い
た場合にも、上記実施例とほぼ同様の効果を得ることが
できる。

【００４９】さらには、上記実施例においては電界放出
型冷陰極を単体の素子として説明したが、例えば 1枚の
Ｓｉ単結晶板上に上記のような構造の本発明に係る電界
放出型冷陰極を複数個、例えばマトリックス状に配設し
て用いてもよいことは言うまでもない。

【００５０】（実施例２）図３は、本発明に係る第２の
実施例の電界放出型冷陰極の製造工程を示す図である。
この図３に基づいて第２の実施例の製造方法を説明す
る。

【００５１】まず、図３（ａ）に示すように、第１の支
持基板として低抵抗の（１００）結晶面方位のＳｉ単結
晶基板３０１を準備する。

【００５２】次に、図３（ｂ）に示すように、Ｓｉ単結
晶基板３０１の一方の平面（この面を第１主面とする）
に、底部に向かって尖鋭な形状の凹部３０２を刻設す
る。このような凹部３０２の刻設方法としては、以下に
示すようなＳｉの異方性エッチングを用いる方法が適用
できる。即ち、（１００）結晶面方位のＳｉ単結晶から
なるＳｉ単結晶基板３０１上に、その第１主面側から厚
さ0.1 μｍ程度のＳｉＯ₂ 熱酸化膜３０１ｂをドライ酸
化法により形成する。そしてさらにフォトレジストをス
ピンコート法により塗布する。次いでステッパ等を用い
て、例えば1 μｍ角の矩形状の開口部が得られるように
フォトレジストの露光及びその現像等を行なってパター
ニングし、その後、ＮＨ₄ Ｆ／ＨＦ混合溶液をエッチャ
ントとして用いて、ＳｉＯ₂ 熱酸化膜３０１ｂのエッチ
ングを行なう。そして前記のフォトレジストを除去した
後、30ｗｔ％のＫＯＨ水溶液をエッチャントとして用い
て異方性エッチングを行なうことにより、Ｓｉ単結晶基
板３０１の第１主面側に例えば深さ0.71μｍの逆ピラミ
ッド型の凹部３０２を刻設することができる。そして例
えばＮＨ₄ Ｆ／ＨＦ混合溶液を用いてＳｉ単結晶基板３
０１の表面に残されているＳｉＯ₂ 熱酸化膜３０１ｂを
一旦除去する。

【００５３】続いて、図３（ｃ）に示すように、Ｓｉ単
結晶基板３０１の第１主面上に前記の凹部３０２の内壁
面上を含めて熱酸化処理を施し、熱酸化層３０３を形成
する。本実施例ではこの熱酸化層３０３は厚さ0.5 μｍ
となるようにウェット熱酸化法により形成した。次い
で、この熱酸化層３０３上にエミッタ材料層３０４とし
て、例えばＷ層やＭｏ層を形成する。このエミッタ材料
層３０４は、凹部３０２を埋めつつ熱酸化層３０３の上
面を覆うように形成する。本実施例では凹部３０２以外
の熱酸化層３０３上で厚さが2 μｍとなるようにエミッ
タ材料層３０４をスパッタリング法により形成した。

【００５４】次に、図３（ｄ）に示すように、第２の支
持基板として、背面に厚さ0.3 μｍのＡｌ層３０５がコ
ーティングされたパイレックスガラスのような耐熱性の
高い材料からなるガラス基板３０６を用意する。このガ
ラス基板３０６を、上記のエミッタ材料層３０４の先端
が尖った凸部３０７が形成された面とは反対側の面に重
ね合わせるように配置し、接着する。この接着には、例
えば静電接着法を適用することができる。そしてガラス
基板３０６の背面のＡｌ層３０５をＨＮＯ₃ −ＣＨ₃ Ｏ
ＯＨ−ＨＦの混酸溶液で除去する。

【００５５】次に、図３（ｅ）に示すようにここで基板
全体を裏返して（表裏を反転させて）、Ｓｉ単結晶基板
３０１の前記第１主面とは反対側の（裏側の）第２主面
を上にしてＥＤＰと呼ばれるエチレンジアミン、ピロカ
テコール及びピラジンの混合水溶液（この実施例ではエ
チレンジアミン：ピロカテコール：ピラジン：水＝75ｍ
ｌ：12ｇ：0.45ｇ：10ｍｌ）をエッチャントとして用い
て、Ｓｉ単結晶基板３０１の前記第１主面とは反対側の
第２主面側からエッチング除去する。このときエッチン
グ時間を制御して、Ｓｉ単結晶基板３０１の厚さ方向に
わたって全部がエッチングされるのではなく（ｅ）に示
すようにエミッタ材料層３０４の凸部３０７の先端部が
部分的に露出されるとともにそれ以下の部分は被覆され
るような厚さのＳｉ単結晶層３０８として残るようにす
る。このＳｉ単結晶層３０８をゲート電極として使用す
る。こうして、エミッタ材料層３０４の凸部３０７の尖
った先端部を覆う熱酸化層３０３をＳｉ単結晶層３０８
から部分的に露出させる。

【００５６】次に、図３（ｆ）に示すように、ＮＨ₄ Ｆ
／ＨＦ混合溶液をエッチャントとして用いて、エミッタ
材料層３０４の凸部３０７の先端部を覆っている部分の
熱酸化層３０３をエッチング除去して、凸部３０７の尖
った先端部をＳｉ単結晶層３０８から部分的に露出させ
る。こうしてエミッタを得る。

【００５７】上記のような製造方法によれば、第１の実
施例の製造方法の有する効果に加えて、本発明に係る電
界放出型冷陰極をさらに簡易に形成することができる。

【００５８】（実施例３）図４は、本発明に係る電界放
出型冷陰極の製造方法の第３の実施例を示す図である。

【００５９】なお、同図においては第１および第２の実
施例と同一の部分には同一の符号を付して示した。本実
施例の製造方法は、上述の第１および第２の実施例にお
いて、高濃度にＢ（ホウ素）を拡散した薄いエッチング
停止層を設けて、Ｓｉ単結晶基板３０１の第２主面側か
らのエッチングの進行を、このエッチング停止層で停止
させるようにしたことを特徴としている。従って第２の
実施例のようなエッチング時間の煩雑な制御を行なう必
要がなくなるので、さらに簡易に本発明に係る電界放出
型冷陰極を形成することが可能である。

【００６０】まず、図４（ａ）に示すように、（１０
０）結晶面方位のＳｉ単結晶基板３０１の第１主面上に
例えば10¹⁹ｃｍ³ 以上の高濃度にＢ（硼素）のような不
純物イオンを拡散して、薄いエッチング停止層４０１を
形成する。この高濃度の不純物拡散は、例えば熱拡散法
あるいはイオン注入法などによって行なう。

【００６１】次に、図４（ｂ）に示すように、第１の実
施例と同様に、Ｓｉ単結晶基板３０１上に形成されたエ
ッチング停止層４０１の一方の平面（第１主面）側か
ら、底部に向かって尖鋭な形状の凹部３０２を刻設す
る。この凹部３０２の刻設方法としては、第２の実施例
と同様に、Ｓｉの異方性エッチングを用いる方法が適用
できる。即ち、エッチング停止層４０１の表面上および
凹部３０２で露出している部分のＳｉ単結晶基板３０１
表面上にドライ酸化法による熱酸化処理を施して、その
表面から厚さ0.1 μｍ程度のＳｉＯ₂ 熱酸化膜３０１ｂ
を形成する。さらにその上にフォトレジスト（図示省
略）をスピンコート法により塗布する。次いでステッパ
等を用いて、例えば1 μｍ角の矩形状の開口部が得られ
るようにフォトレジストを露光及びその現像等を行なっ
てパターニングする。そしてＮＨ₄ Ｆ／ＨＦ混合溶液を
エッチャントとして用いてＳｉＯ₂ 熱酸化膜３０１ｂの
パターニングを行なう。その後、前記のフォトレジスト
を除去し、ＳｉＯ₂ 熱酸化膜３０１ｂのパターンをエッ
チングマスクとして用いるとともに30ｗｔ％のＫＯＨ水
溶液をエッチャントとして用いて、異方性エッチングを
行なう。こうしてエッチング停止層４０１にＳｉ単結晶
基板３０１の第１主面以上に達する例えば深さ0.71μｍ
の逆ピラミッド型の凹部３０２を刻設する。そして例え
ばＮＨ₄ Ｆ／ＨＦ混合溶液を用いてＳｉ単結晶基板３０
１の表面に残されているＳｉＯ₂ 熱酸化膜３０１ｂを除
去する。

【００６２】ここで、ＫＯＨ水溶液は、Ｂを高濃度に拡
散したエッチング停止層４０１におけるエッチングレー
トがＳｉ単結晶に対するエッチングレートと大差ないた
め、エッチング停止層４０１をＳｉ単結晶基板３０１の
上に形成した場合でも良好なエッチングスピードを得る
ことができる。従って本実施例のようなエッチング停止
層４０１をＳｉ単結晶基板３０１上に形成した場合に
も、凹部３０２を良好に刻設することができるのであ
る。もちろんエッチャントとしてはこの他にもエッチン
グ停止層４０１をエッチングすることが可能なものであ
れば、この他のエッチャントを用いることもできる。

【００６３】次に、図４（ｃ）に示すように、凹部３０
２によって露出しているエッチング停止層４０１及びＳ
ｉ単結晶基板３０１の壁面及びエッチング停止層４０１
の平面に熱酸化処理を施して熱酸化層３０３を形成す
る。この熱酸化時にエッチング停止層４０１は厚くなる
が、このように膨脹した後でも、ピラミッド状の凸部３
０７の先端部を覆っている部分の熱酸化層３０３がこの
エッチング停止層４０１から突出するように、エッチン
グ停止層４０１の厚さをＳｉ単結晶基板３０１に成膜す
る際に前もって設定しておく。そして上述の第２の実施
例等と同様に熱酸化層３０３上にエミッタ材料として好
適な例えばＷやＭｏなどの材料を堆積などにより成膜し
て、エミッタ材料層３０４を形成する。

【００６４】次に、図４（ｄ）に示すように、第２の実
施例と同様に、第２の支持基板として、背面に厚さ0.3
μｍのＡｌ層３０５がコーティングされたパイレックス
ガラスのような耐熱性の高い材料からなるガラス基板３
０６を用意する。このガラス基板３０６を、上記のエミ
ッタ材料層３０４の先端が尖った（ピラミッド状の）凸
部３０７が形成された面とは反対側の面に重ね合わせる
ように配置して、接着する。この接着には第２の実施例
と同様に例えば静電接着法を適用することができる。そ
してガラス基板３０６の背面のＡｌ層３０５をＨＮＯ₃
−ＣＨ₃ ＯＯＨ−ＨＦの混酸溶液で除去する。

【００６５】次に、図４（ｅ）に示すように、ＥＤＰと
呼ばれるエチレンジアミン、ピロカテコール及びピラジ
ンの混合水溶液（この実施例ではエチレンジアミン：ピ
ロカテコール：ピラジン：水＝75ｍｌ：12ｇ：0.45ｇ：
10ｍｌ）をエッチャントとして用いて、Ｓｉ単結晶基板
３０１の前記第１主面とは反対側の（裏側の）第２主面
側からエッチング除去する。

【００６６】ここで、エッチング停止層４０１は高濃度
のＢを拡散してなるＳｉ材料から形成されているので、
第２の実施例で用いたＥＤＰのようなエッチャントに対
してはエッチングレートが単結晶Ｓｉに比べてかなり低
い。したがってこのエッチング停止層４０１でＳｉ単結
晶基板３０１の第２主面側からのエッチングは停止さ
れ、エッチング停止層４０１はほぼそのままの形で残る
ことになる。こうして、エミッタ材料層３０４の凸部３
０７の尖った先端部を覆う熱酸化層３０３をエッチング
停止層４０１から部分的に露出させることができる。

【００６７】次に、図４（ｆ）に示すように、ＮＨ₄ Ｆ
／ＨＦ混合溶液をエッチャントとして用いて、エミッタ
材料層３０４の凸部３０７の先端部を覆っている部分の
熱酸化層３０３をエッチング除去して、凸部３０７の尖
った先端部をエッチング停止層４０１から部分的に露出
させる。こうしてエミッタを得る。

【００６８】一方、エッチング停止層４０１は高濃度の
Ｂを拡散してなるＳｉ材料から形成されているために導
電性が良好であることから、エッチング停止層４０１は
そのまま残して、ゲート電極として使用することができ
る。

【００６９】上記のような第３の実施例の製造方法によ
れば、第１および第２の実施例の製造方法の有する効果
に加えて、第２の実施例のようなＳｉ単結晶基板３０１
の第２主面側からのエッチングの際のエッチング深さの
煩雑な制御等は不要とすることができるため、本発明に
係る電界放出型冷陰極をさらに簡易に形成することがで
きる。

【００７０】（実施例４）図５は、本発明に係る電界放
出型冷陰極の製造方法の第４の実施例を示す図である。
なお、説明の簡潔化のために、この図５においては既述
の各実施例と同一の部分には同じ符号を付して示した。
またこの第４の実施例では既述の実施例とは異なった特
徴的な部分を中心として説明する。

【００７１】本実施例の製造方法は、上述の第３の実施
例のエッチング停止層４０１の代りにｎ型Ｓｉ材料で形
成されたエッチング停止層５０１を用いて、このエッチ
ング停止層５０１に逆電圧を印加することにより、Ｓｉ
単結晶基板３０１の第２主面からのエッチングを停止さ
せることを特徴としている。

【００７２】まず、図５（ａ）に示すように、ｐ型の
（１００）結晶面方位のＳｉ単結晶からなるＳｉ単結晶
基板３０１上にｎ型のＳｉ層５０１を、熱換拡散法ある
いはイオン注入法などにより薄い膜厚に形成し、Ｓｉ単
結晶基板３０１とＳｉ層５０１との界面でｐｎ接合を形
成する。

【００７３】これに続く図５（ｂ）から（ｄ）に示した
工程は、上述の第３の実施例とほぼ同様である。

【００７４】そして本実施例においては、図５（ｅ）に
示すＳｉ単結晶基板３０１を除去する工程において電気
化学エッチングを用いることを特徴としている。

【００７５】これは、例えばＫＯＨ水溶液中で、エッチ
ング停止層５０１とＳｉ単結晶基板３０１との界面に生
じているｐｎ接合に対して逆電圧を印加してｐ型のＳｉ
単結晶基板３０１のみを選択的にエッチングし、ｎ型の
Ｓｉ層５０１についてはエッチングを進行させずそのま
ま残すという方法である。

【００７６】このようにして、図５（ｅ）で示すような
Ｓｉ単結晶基板３０１をその第２主面側からエッチング
して行き、Ｓｉ単結晶基板３０１をほぼ全厚さにわたっ
て削除して、エミッタ材料層３０４の凸部３０７の先端
部分だけをエッチング停止層５０１から露出させる。

【００７７】そしてそれ以降の工程は、上述の各実施例
と同様である。即ち、図５（ｆ）に示すように、ＮＨ₄
Ｆ／ＨＦ混合溶液をエッチャントとして用いてエミッタ
材料層３０４の凸部３０７の先端部を覆っている部分の
熱酸化層３０３をエッチング除去する。こうして凸部３
０７の尖った先端部をＳｉ単結晶層３０８から部分的に
露出させて、エミッタを得る。

【００７８】このような第４の実施例に示した製造方法
によっても、既述の各実施例と同様に、エミッタ−ゲー
ト電極間の間隙（ギャップ）を高精度に、かつ簡易に形
成することができる。

【００７９】なお、上記の第２乃至第５の実施例におい
て、高濃度にＢを拡散したエッチング停止層４０１ある
いはｎ型のＳｉ層５０１を、図４、図５の（ａ）の工程
にてすでにＳｉ単結晶基板３０１の第１主面上にエピタ
キシャル成長させて形成しておいてもよい。

【００８０】その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲
で、各部位の形成材料やその成膜、パターニング方法等
の種々変更が可能であることは言うまでもない。

【００８１】

【発明の効果】以上、詳細な説明で明示したように、本
発明に係る電界放出型冷陰極は、常に良好な電界放出の
均一性および安定性を呈し、また低電圧駆動も可能で、
かつ高い電界放出効率を得られるという優れた性能を備
えている。そして本発明に係る電界放出型冷陰極の製造
方法によれば、前記したような機能的な特長を備え、か
つ高集積化なども容易な電界放出型冷陰極を、良好な歩
留まりおよび生産性（量産性）を以て製造することが可
能である。

【００８２】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る電界放出型冷陰極の要部構成例を
示す一部断面的な斜視図。

【図２】本発明に係る第１の実施例の電界放出型冷陰極
の製造工程を示す図。

【図３】本発明に係る第２の実施例の電界放出型冷陰極
の製造工程を示す図。

【図４】本発明に係る第３の実施例の電界放出型冷陰極
の製造工程を示す図。

【図５】本発明に係る第４の実施例の電界放出型冷陰極
の製造工程を示す図。

【図６】従来の電界放出型冷陰極の製造工程の概要を示
す図。

【符号の説明】

１…………Ｓｉ単結晶基板， ２…………ＳｉＯ₂ 堆積層， ３ａ………Ｍｏ層（ゲート電極層）， ３ｂ………Ａｌ層（エッチング停止層）， ４…………孔（ピンホール）， ５…………エミッタ材料， ６，１７…絶縁性支持基板， ７，１８…エミッタ材料製の凸部， ８，１３…熱酸化物層（絶縁体層）， ９，１２…高濃度の不純物拡散層， １０, 19' …ゲート電極層， １１ａ……凹部， １４………エミッタ材料層， １５………導電層， １６………静電接合用電極層， １９………Ｗ被覆層， １９ａ……開口部， ２０………フォトレジスト層， ３０１……Ｓｉ単結晶基板， ３０１ｂ…ＳｉＯ₂ 熱酸化膜， ３０２……凹部， ３０３……Ｓｉ熱酸化層， ３０４……エミッタ層， ３０５……Ａｌ層， ３０６……ガラス基板， ３０７……エミッタ層の凸部， ３０８……Ｓｉ単結晶層， ４０１……Ｂを高濃度に拡散してなるエッチング停止
層， ５０１……ｎ型Ｓｉ材料を用いて形成されたエッチング
停止層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−94762（ＪＰ，Ａ) 特表 平４−501934（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01J 1/304 H01J 9/02

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 支持基板と、前記支持基板面に先端を尖
   らせて形設されたエミッタ材料製凸部と、 前記エミッタ材料製凸部の先端部を露出させてエミッタ
   材料製凸部表面を被覆する絶縁体層と、 前記エミッタ材料製凸部の先端部を露出させ絶縁体層を
   被覆するＳｉ単結晶不純物拡散層またはＧｅ単結晶不純
   物拡散層とを具備することを特徴とする電界放出型冷陰
   極。
2. 【請求項２】 第１の支持基板の第１主面側に、先端を
   尖らせた凹部を形成する工程と、 前記凹部内壁面を含む第１の支持基板面に高濃度の不純
   物拡散層を形成する工程と、 前記不純物の拡散層面に絶縁体層を形成する工程と、 前記絶縁体層面に凹部を埋めつつエミッタ材料を被着す
   る工程と、 前記エミッタ材料層面に第２の支持基板を接合一体化す
   る工程と、前記第１の支持基板を第２主面側からエッチ
   ング除去し凸部を含む不純物の拡散層を露出させる工程
   と、 前記凸部先端部の不純物の拡散層および絶縁体層を選択
   的に除去しエミッタ材料製の凸部の先端部を露出させる
   工程とを具備することを特徴とする電界放出型冷陰極の
   製造方法。
3. 【請求項３】 第１の支持基板の第１主面側に、底部が
   尖った形状の凹部を刻設する工程と、 前記第１の支持基板の前記凹部内壁面を含む第１主面上
   に絶縁層を形成する工程と、 前記絶縁層面上に前記凹部を埋めつつエミッタ材料を被
   着して、先端が尖った形状の凸部を有するエミッタ材料
   層を形成する工程と、 前記エミッタ材料層の凸部が形成された面とは反対側の
   面に第２の支持基板を接合して該第２の支持基板により
   前記エミッタ材料層を支持する工程と、 前記エミッタ材料層の凸部を被覆している前記絶縁層の
   少くとも先端部が露出するまで、前記第１の支持基板を
   該基板の第２主面側からエッチング除去する工程と、 前記第１の支持基板から露出した部分からエッチングを
   進行させて前記絶縁層を選択的にエッチング除去して行
   き、該絶縁層に被覆されていた前記エミッタ材料層の凸
   部の先端部を露出させてエミッタを形成するとともに、
   前記エミッタの先端部と間隙を有して対峙するように前
   記第１の支持基板を残存させてゲート層を形成する工程
   とを具備することを特徴とする電界放出型冷陰極の製造
   方法。
4. 【請求項４】 第１の支持基板の第１主面上にエッチン
   グ停止層を形成する工程と、 前記第１の支持基板の第１主面側に、前記エッチング停
   止層を貫通して前記第１の支持基板の厚さの途中にまで
   達する深さで、底部が尖った形状の、凹部を刻設する工
   程と、 前記凹部の内壁面として露出している前記エッチング停
   止層および前記第１の支持基板を含む前記エッチング停
   止層上に絶縁層を形成する工程と、 前記絶縁層の面上に前記凹部を埋めつつエミッタ材料を
   被着して、先端が尖った形状の凸部を有するエミッタ材
   料層を形成する工程と、 前記第１の支持基板を該基板の第２主面側から前記エッ
   チング停止層までエッチング除去して、前記エミッタ材
   料層の凸部を被覆している前記絶縁層の先端部を前記エ
   ッチング停止層の表面から露出させる工程と、 前記エッチング停止層から露出した部分からエッチング
   を進行させて前記絶縁層を選択的にエッチング除去して
   行き、該絶縁層に被覆されていた前記エミッタ材料層の
   凸部の先端部を露出させてエミッタを形成するととも
   に、前記エミッタの先端部に対して間隙を有して対峙す
   るように前記エッチング停止層を残存させてゲート層を
   形成する工程とを具備することを特徴とする電界放出型
   冷陰極の製造方法。